密云水庫庫濱帶不同植被配置下面源污染特征分析

李凱，程金花，陳仲旭

北京林業大學水土保持學院，北京 100083

人類為了滿足自己生產和生活的需要，大量地采用農業化學產品，造成了土壤的面源污染，其危害具有滯后性和潛伏性特征（王曉燕等，2002），對地表地下水的水質構成了嚴重的威脅。面源污染是引起水體富營養化的重要因素，當前得到廣泛認可的防治方法之一就是在水陸群落交錯區建立植被緩沖帶（庫濱帶）（Uchida et al.，2005；盧寶倩等，2007）。

李憲文等（2002）對四川紫色土地區的研究發現，土壤中氮流失的主要形式是徑流；而土壤中的磷元素流失主要形式則為泥沙，泥沙中的養分有顯著的富集現象。劉俏（2014）對南方紅壤丘陵區的研究發現土壤的養分流失與年降水分布呈顯著同步性，每年的梅雨期，臺風期是土壤養分流失的高峰期。吳東等（2015）在對三峽庫區退耕還林的研究發現退耕還林模式與坡耕地相比總氮，總磷流失顯著減少。耿潤哲等（2013）對密云水庫流域的研究發現，氮在豐水年的流失程度較平水年增加較大，而磷的表現則不明顯。王士永（2011）在對北京懷柔東臺溝植被對產流產沙的影響研究中發現植被對控制產流產沙結果有著顯著相關性。Udawatta et al.（2016）認為構建植被緩沖帶，營造水源涵養林是在庫區減少水土流失和面源污染的重要途徑之一。汪慶兵（2014）對湖北水庫的研究發現水杉純林和稗子對氮素的截留控制效果顯著。吳健等（2008）通過設置不同植被配置的濱岸緩沖帶草+灌、草+喬、草+灌+喬在人工降雨條件下的實驗得出面源污染防治和土壤抗侵蝕能力最優的組合模式。儲雙雙等（2013）研究了在尾葉桉林、馬占相思林和采伐跡地天然降雨下徑流中不同氮磷流失的變化特征，徑流量會在一定程度上制約氮磷流失量。美國的Eghball et al.（2001）也對草本帶對面源污染的控制作用做了探討，提出過濾草帶能夠降低徑流中氮、磷及泥沙含量。同時他們還發現隨著經濟的發展，污染源也在不斷變化，主要污染源由原來的農村生活變為禽類養殖，且在人口密集地區與養殖場附近污染越嚴重。李明濤（2014）在密云水庫上游地區的研究也發現禽類糞便污染也成為當地面源污染的主要因素，同時不合理施肥也導致了土壤養分流失和污染。以上有關面源污染的研究大多采用模擬降雨或徑流沖刷的方式進行，分析天然降雨條件下面源污染狀況的研究內容較少。

密云水庫作為北京市重要水源地，是北京市的重點保護區域，近年來，非點源污染逐漸取代點源污染成為影響密云水庫水質的主要因素（耿潤哲等，2015）。密云水庫水位上漲后，水位變幅區、庫濱帶污染物主要通過水土流失、水土界面元素吸附-釋放等形式進入水庫。通過構建布局合理、配置科學的緩沖帶，控制和減輕面源污染對水源地水體的影響，是防治面源污染、改善環境水質的較好方法，因此研究密云水庫庫濱帶區不同植被配置對于面源污染的控制作用，確定植被緩沖帶內最優植被配置，對于密云水庫的水質保障具有重要意義。

為獲得實際有效的植被配置，本研究建設 12個不同植被配置的野外徑流小區，在天然降雨條件下，通過觀測和分析不同徑流小區的產流產沙情況以及徑流和泥沙樣品中的面源污染指標值，分析不同植被配置對面源污染的控制削減能力，為庫濱緩沖帶植被配置技術提供一定數據參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區密云水庫位于北京郊區密云城北山區（40°14′-41°05′N 和 116°07′-117°30′E），設計總庫容4.375×109 m3，最高蓄水位159.9 m，平均年徑流量1.19×109 m3，平均水深30 m，是首都北京最大的飲用水源地。密云水庫水文站多年平均降水量為632.5 mm，該地區多年平均水面蒸發量為1037 mm，年平均氣溫10.9 ℃。研究區內土壤以砂質壤土和粉砂質壤土為主，土壤礫質含量中等。土壤空隙狀況較好，表層土壤容重的變化范圍在 1.1-1.3 g·cm-3之間。土地主要利用類型以林地、疏林地和草地為主。研究區植被主要以森林為主，其中天然次生林主要為山楊（Populus davidiana）、蒙古櫟（Quercus mongolica）和椴樹（Tilia tuan）為主的闊葉混交雜木林。人工純林種植面積很廣，分別有旱柳（Salix matsudana）、毛白楊（Populus tomentosa）、小葉楊（Populus simonii）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、金枝國槐（Sophora japonica）、金葉榆（Ulmus pumila）等，分布在庫區的各個區域。灌木群面積較小，部分為人工種植，主要有紫丁香（Syringa oblata）和黃櫨（Cotinus coggygria）等。

1.2 試驗方法

1.2.1 野外徑流小區分布及植被配置情況

選取密云水庫北部不老屯鎮庫濱帶作為本次研究徑流小區布設所在地。設置12個20 m×5 m的野外標準徑流小區，使用PVC板埋入土中10 cm圍出徑流小區的邊界，坡度下方邊界處挖一條長4 m的集水渠，水渠內部用塑料薄膜及防水革鋪墊，防止滲水。在徑流小區出口保留一個邊長20 cm的正方形出口，出口下方挖一條截面邊長為20 cm、長度為1 m的導水渠，導水渠內部用塑料薄膜及防水革鋪墊。在徑流小區出口導水渠下方挖一個集水坑，將塑料集水桶放入收集地表徑流，并用地板革蓋住整個集水區以防外部降雨滲入。其中 8個野外徑流小區位于密云水庫庫濱帶東部不老屯鎮學各莊村，其內包含1個荒地對照徑流小區，另外4個野外徑流小區位于庫濱帶庫西部不老屯鎮黃土坎村。

徑流小區主要包括庫濱帶內毛白楊、油松（Pinus tabuliformis）、臭椿（Ailanthus altissima）、刺槐、金葉榆、白蠟（Fraxinus chinensis）、柳樹等喬木以及葎草（Humulus scandens）、苜蓿（Medicago sativa）等草本和紫丁香等灌木不同植物在內不同植被類型及一個荒地對照小區，本研究選擇庫濱帶內植物并進行純喬小區、純草小區、喬灌混交小區、喬喬混交小區、喬草混交小區、喬灌草小區的不同配置，編號1-12號，坡度均為5°，土地利用類型為草地、林地、林草地及林灌草地（表1）。

1.2.2 徑流小區取樣測定

每次降雨產流后，采集集水桶中清水樣品，測定徑流樣品的面源污染指標。充分攪拌集水桶中徑流及泥沙，用1 L采樣瓶采取單位體積水樣，帶回進行烘干稱質量。

1.3 實驗數據測定及計算

3次天然降雨中所有徑流水樣均送樣至北京市理化中心及北京市輕工業所進行總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）5個面源污染指標測定，測定方法如表2所示。

對各植被配置模式下TN、TP、NH4+-N、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）在各次降雨所引起的流失量M進行計算，計算公式如下：

式中，Mik分別第k個徑流小區第i個面源污染指標各次降雨所引起的流失量，g·hm-2或 kg·hm-2；cij為第k個徑流小區第i個面源污染指標在第j次降雨情況中的質量濃度，mg·L-1；Rjk為第k個徑流小區第j次降雨中地表徑流量，m3·hm-2。

表1 不同植被徑流小區配置情況Table 1 Configuration of different vegetation runoff plots

表2 試驗小區土壤面源污染指標測定方法Table 2 Test method for soil non-point source pollution index in test plots

2 結果與分析

2.1 不同植被配置下產流產沙狀況

本研究選取6月22日、7月6日、8月2日3次典型天然降雨，降雨雨強如表 3所示。將徑流小區的徑流和泥沙產量作為監測指標分析研究，對密云水庫庫濱帶不同植被配置進行固土固沙效果評估。

表3 3次天然降雨參數Table 3 Three natural rainfall parameters

2017年6月22日的天然降雨平均雨強為15.65 mm·h-1，總降雨量為 93.9 mm，降雨歷時 6 h，；2017年7月6日天然降雨平均雨強為12.94 mm·h-1，總降雨量為103.5 mm，降雨歷時8 h；2017年8月2日天然降雨平均雨強為 7.59 mm·h-1，總降雨量為68.3 mm，降雨歷時9 h。

對3次天然降雨不同植被配置產流產沙進行分析如圖1、圖2、圖3所示：

圖1 6月22日天然降雨不同植被配置產流產沙量Fig. 1 Runoff and sediment yield of different vegetation under the natural rainfall on June 22

圖2 7月6日天然降雨不同植被配置產流產沙量Fig. 2 Runoff and sediment yield of different vegetation under the natural rainfall on July 6

圖3 8月2日天然降雨產流產沙Fig. 3 Runoff and sediment yield of different vegetation under the natural rainfall on August 2

在6月22日的降雨中，植被配置單一的徑流小區在產流量方面與荒地小區較其他幾個小區大，柳樹+丁香+蒿與毛白楊+紫丁香+葎草兩個植被配置為喬灌草的徑流小區產流量明顯低于其余8個小區，且在第一次天然降雨中柳樹+丁香+蒿小區產流量最小。在單一植被配置的徑流小區中，產流量大小為：苜蓿小區＞油松小區＞毛白楊小區，而油松+金葉榆、油松+白蠟等 6個喬灌和喬喬混交的徑流小區在第一次天然降雨中產流量相差不大。荒地在所有小區中產沙量最大，兩個喬灌草混交小區最小，其余9個小區泥沙產量均差別不大，在單一植被配置中產沙量最大的是苜蓿小區，兩種植被混交配置中產沙最小的為臭椿+刺槐，柳樹+丁香+蒿在12個徑流小區中產沙量最小。在7月6日的第二次天然降雨中，荒地仍為 12個徑流小區中產流產沙量最大的小區，在植被配置單一的徑流小區中，產流量的大小為：油松小區最大，毛白楊小區最小；產沙量的大小為：苜蓿小區最大，油松小區最小。在兩種植被混交配置類型中，產流量的大小為：油松+白蠟小區＞油松+毛白楊小區＞油松+臭椿小區＞油松+金葉榆小區＞臭椿+刺槐小區＞柳樹+苜蓿小區；產沙量的大小為：柳樹+苜蓿小區＞油松+毛白楊小區＞油松+白蠟小區＞油松+金葉榆小區＞油松+臭椿小區＞臭椿+刺槐小區。在喬灌草混交的徑流小區中，在產流和產沙量方面柳樹+丁香+蒿小區均大于毛白楊+紫丁香+葎草小區。在8月2日第3次天然降雨中，在不同植被配置產流產沙量中荒地最大，且總體產流產沙量相比前兩次天然降雨大量削減，在不同植被產流量中，毛白楊+紫丁香+葎草小區產流量最低，苜蓿小區產流量最高，油松與其他植被混交的植被配置中，金葉榆與油松混交有最好的截留效果；產沙量大小順序為：荒地小區＞油松小區＞苜蓿小區＞毛白楊小區＞油松+臭椿小區＞油松+白蠟小區＞油松+金葉榆小區＞油松+毛白楊小區＞臭椿+刺槐＞柳樹+苜蓿小區＞柳樹+丁香+蒿小區＞毛白楊+紫丁香+葎草小區。

將各個小區 3次降雨的產流產沙值與對照對比，獲得其減流作用和減沙作用，并取3次結果的平均值。所得結果如表4所示。

表4 不同植被配置平均減流作用與減沙作用Table 4 Average flow reduction and sediment reduction in different vegetation configurations

從表4可看出，兩種喬灌草配置的減流減沙作用是所有小區里最好的，并且兩種配置有著相近的減流作用，毛白楊+紫丁香+葎草此種模式的配置在減沙作用上優于柳樹+丁香+蒿；研究觀察發現植被配置單一徑流小區在減流減沙作用上，毛白楊純喬小區＞油松純喬小區＞苜蓿純草小區；研究同樣發現配置類型為兩種植被混交的徑流小區在減流減沙作用上，臭椿+刺槐喬喬小區以及柳樹+苜蓿喬草配置小區較其他雙植被配置較好，臭椿+刺槐小區在雙植被配置小區中具有最好的減流減沙作用。油松加其他植被混交使得減流減沙作用顯著增大，在油松分別與金葉榆、白蠟、臭椿、毛白楊混交的小區中，4種混交配置小區分別比純油松小區減流作用提高20.46%、14.91%、20.17%、20.8%，減沙作用提高11.56%、6.97%、6.0%、11.91%；毛白楊、金葉榆與油松有著最好的混交效果，比較兩種植被與油松混交的減流減沙效果，發現其減流減沙效果基本相當；減流作用最差的是油松+白蠟小區，減沙作用最差的為油松+臭椿小區。

在3次天然降雨中，混交小區均表現出比純林帶小區更好的固土固沙效果，并且柳樹+丁香+蒿以及毛白楊+紫丁香+葎草兩個喬灌草小區產流產沙是 12個徑流小區中最小的，更多樣的植被配置在截留固沙、防止水土流失的過程中起著更為顯著的作用。

2.2 不同植被配置面源污染控制作用

根據黃生斌等（2007）對密云水庫面源污染負荷的貢獻率研究，密云水庫庫區流域內徑流水質有機物污染指標COD約70%，BOD5約70%，養分流失指標TN約70%，NH4+-N占90%，TP占90%，本研究通過監測以上5個面源污染指標，反映不同植被配置對面源污染的控制作用。

3次天然降雨中，不同植被配置小區徑流中面源污染指標平均削減率如圖4所示。

對照荒地徑流小區得出不同植被配置對NH4+-N的削減效果11種植被配置均大于50%，TN削減率均大于28%，TP的控制削減率各植被小區（除油松以外）均達到了 50%以上，可見植被配置能夠很大程度上減緩面源污染程度。油松混交配置對NH4+-N削減率范圍在73.08%-80.30%之間，對TN的削減率在50%左右，對TP的削減率在60%以上，其中油松+毛白楊的混交效果對3種指標的削減最明顯。臭椿混交刺槐對的控制效果要優于混交油松。柳樹+苜蓿對NH4+-N、TN和TP的削減比純種苜蓿分別提高了21.32%、47%和26%。兩種喬灌草植被配置的削減效果最好，NH4+-N的削減率達到了89%，TN削減率達到76%，TP削減率達到91%。

不同植被配置對COD和BOD5的對照荒地小區削減率均達到了60%以上，油松混交小區對COD和 BOD5的削減率在 70%以上，柳樹+苜蓿配置對COD的削減比純種苜蓿提高了29%左右。柳樹+丁香+蒿和毛白楊+紫丁香+葎草喬灌草配置對 COD的削減率達到了91.22%和91.91%。

2.3 降雨對不同植被配置面源污染控制作用的影響

圖4 3次天然降雨不同植被配置小區徑流中面源污染指標平均削減率Fig. 4 Average Reduction Rate of Non-point Source Pollution Indicators in Runoff of Different Vegetation Distribution Areas with three Natural Rainfall

3場天然降雨的平均雨強逐場減小，降雨歷時第3場＞第2場＞第1場。隨著降雨強度的減小，3次降雨條件下面源污染程度遞減。將不同植被配置徑流小區TN、TP、NH4+-N、COD、BOD55個面源污染指標值，進行第1場降雨與第3場降雨之間差值、削減比計算，其值作為評價降雨與時間條件不同下，不同植被配置對于面源污染控制削減效果（圖5-9）。

各植被配置小區3次降雨條件下植被隨著時間推移、降雨量的減少、降雨強度的減弱，TN的流失模數顯著減少（P＜0.05），各個植被配置對TN的削減比均在 90%左右；TP流失變化較大，總體上呈減小的趨勢，各個植被配置對TP的削減比達到77%（油松+白蠟）以上；同一種植被配置下NH4+-N流失模數顯著減少（P＜0.05），3次降雨條件下各植被配置對NH4+-N的削減比均在85%以上；COD和BOD5下降趨勢明顯。

3 討論

在本文中不同植被在天然降雨的截流固沙效果中，毛白楊+紫丁香+葎草此種喬灌草混交是最優的植被配置模式，理論上看，生態位重疊的混交模式優于生態位部分重疊模式優于生態位完全重疊模式（沈國舫，2001）。而本研究中綜合減流減沙作用，柳樹苜蓿喬草小區優于臭椿刺槐喬喬小區優于油松金葉榆喬灌小區，雖然后兩者表現出并不明顯的差異，這與所引用文獻中研究結果相左，可能由于喬草小區草本植物的高覆蓋率與喬灌配置灌木的低郁閉度導致試驗結果的偏差。

圖5 不同植被配置3次天然降雨對TN削減控制Fig. 5 Control of TN reduction by natural rainfall three times of different vegetation configurations

圖6 不同植被配置3次天然降雨對TP削減控制Fig. 6 Control of TP reduction of three times natural rainfall in different vegetation configurations

圖7 不同植被配置3次天然降雨對NH4+-N削減控制Fig. 7 Control of NH4+-N reduction by three times natural rainfall in different vegetations

本研究中，試驗中對于5個面源污染指標的檢測結果顯示庫濱帶對于面源污染控制效果顯著。不同植被配置徑流小區各養分隨徑流流失特征分析。在降雨量、平均降雨強度、降雨歷時相同，所設徑流小區地形坡度基本一致的情況下，有植被配置的11個徑流小區對照荒地小區面源指標值更小，且削減率均為正值，說明植被在對面源污染的對控制削減作用上有著重大的意義。在所有植被配置中喬、灌、草混交配置對TP、NH4+-N等指標的減緩作用顯著，為各配置中最優；喬木喬木混交的控制效果優于喬灌混交和喬草混交，單一植被配置的效果最差。

通過比較3次不同雨強的天然降雨條件下各養分流失情況，隨著時間的推移，庫繽帶的植被群落建立和完善、降雨強度和降雨量的減少，植被對于面源污染控制的效果也越來越顯著，對于TN、TP、NH4+-N、的削減值喬灌草混交小區效果最好，兩種植被混交配置的植被類型中喬灌混交油松+金葉榆的削減作用最強，且對于COD和 BOD5的控制作用也最顯著。在3次天然降雨條件下，得出的結論為對照荒地小區比較得出的油松+毛白楊最優，而3次降雨的時間比較中，油松+金葉榆配置在對面源污染的控制上有著更大的潛力。

圖8 不同植被配置3次天然降雨對COD削減控制Fig. 8 Control of COD reduction of three times natural rainfall in different vegetation configurations

圖9 不同植被配置3次天然降雨對BOD5 削減控制Fig. 9 Control of BOD5 reduction by three times natural rainfall in different vegetation configurations

從3次天然降雨間的削減率看出，氨氮的削減率大于氮的削減率，且總氮總磷的流失量不大，在吳東等的研究中得知硝態氮、銨態氮主要通過地表徑流輸出，總氮和總磷主要通過泥沙輸出（韓黎陽等，2014）。

在與荒地小區的對照比較中，油松+毛白楊的削減率最好。隨著時間推移在3次天然降雨的比較中，油松+毛白楊的削減率最好，油松與金葉榆喬灌混交在對于面源污染的控制上具有良好的潛力，這也驗證了林分的優化與立體配置的多樣性相關（王百田，2010）。

本研究通過室內室外試驗得出最優的植被配置為毛白楊+紫丁香+葎草此種混交模式，而對毛白楊生長影響最大的是土壤水分（董雯怡，2011），意味著在水源涵養區毛白楊有著較大的水分消耗，故在庫濱帶實際建設中，還應綜合考慮各項因素。

4 結論

（1）天然降雨條件下，植被配置的多樣性與減流作用fr與減沙作用fs呈正相關關系，減流作用最好的毛白楊+紫丁香+葎草小區與柳樹+丁香+蒿，油松小區純喬最差，減沙作用毛白楊+紫丁香+葎草最好，苜蓿小區純草最差。

（2）在所有植被配置中喬、灌、草混交配置對TP、NH4+-N等指標的減緩作用顯著，為各配置中最優；喬木喬木混交的控制效果優于喬灌混交和喬草混交，單一植被配置的效果最差。

（3）對于純種植被小區在削減TP、NH4+-N上毛白楊要優于油松和苜蓿，混交小區喬木喬木混交優于喬灌其中混交油松+毛白楊對 5種指標的削減作用最好，其配置作用最優，綜合評價最適合大量推廣。喬灌草混交的削減作用為 12種植被配置中最強。

（4）通過比較3次不同雨強的天然降雨條件下各徑流小區對面源污染的控制效果得出：隨著庫繽帶的植被群落建立和完善，對于TN、TP、NH4+-N、的削減喬灌草混交小區效果最好，兩種植被混交配置的植被類型中喬灌混交油松+金葉榆的削減作用最強，且對于COD和BOD5的控制作用也最顯著。在 3次降雨的時間推移過程中比較得出油松+金葉榆配置在對面源污染的控制上有著更大的潛力。